面向高速高精加工的运动轨迹控制关键技术研究

发布时间：2020-08-08 04:30

【摘要】：高档数控系统是制造叶轮、叶片等航空航天核心零部件的有效工具。作为数控系统的控制核心,运动轨迹控制功能的优劣直接影响着数控机床的加工效率和加工质量,是评价数控系统性能的重要指标。但是,在高档数控系统进口方面,西方发达国家一直对我国进行严格的限制。因此,为了实现“中国制造2025”的目标,形成“中国智造”的核心竞争力,《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“高档数控机床和基础制造装备”列为16个重大专项之一,并在《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》中,特别指出“发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件,改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状,满足机械、航空航天等工业发展的需要”。本文在分析国内外高档数控系统研究现状和发展趋势的基础上,以中国科学院沈阳计算技术研究所所承担的国家级科研项目为依托,针对工件的高速、高精加工问题,围绕运动轨迹控制的两个关键技术:轨迹平滑和速度规划,开展了以下的研究工作:1.典型图形专用轨迹平滑算法。为实现离散小线段形式下圆弧和椭圆弧的高速高精加工,在分析现有样条插补方法不足的基础上,提出一种典型图形专用平滑压缩插补算法。该算法根据双弓高误差限制,从由离散小线段构成的加工路径中识别出非连续微小线段加工区域和连续微小线段加工区域。对于非连续微小线段加工区域,直接在离散小线段上进行插补计算,以保证加工精度。对于连续微小线段加工区域,根据离散指令点的曲率值,寻找曲率极值点和拐点,并对其进行拟合,将折线加工路径转化为平滑的二次有理Bézier曲线加工路径;然后,利用二次有理Bézier曲线特征识别出圆弧和椭圆弧,并将其转换为几何形式;最后,将相邻圆弧段或椭圆弧段合并后进行插补计算。实验结果表明,在离散小线段形式下,该算法可以有效地降低速度的频繁波动,实现圆弧和椭圆弧的高质量加工。2.基于公差带的G2连续Bézier刀具轨迹平滑算法。传统全局轨迹平滑算法只能保证离散指令点到样条曲线的最短距离满足轮廓误差,却不能保证由相邻离散指令点构成的小线段到样条曲线的最远距离不超过设定值。同时,由于传统全局轨迹平滑算法需要迭代处理或求解复杂非线性方程组,计算量会随指令点的增多而增加,实时性和局部性较差。因此,在分析现有全局轨迹平滑方法不足的基础上,提出了一种基于公差带的G2连续Bézier刀具轨迹平滑算法。该算法根据双弓高误差限制,从由离散小线段构成的加工路径中识别出连续微小线段加工区域。对于连续微小线段加工区域,首先,对离散的指令点进行局部插值,将折线加工路径转化为G1连续的二次有理Bézier曲线;然后,调整相邻两条二次有理Bézier曲线的权值和连接点处的切线方向,使得加工路径达到G2连续性;最后,通过建立公差带,将不满足精度要求的二次有理Bézier曲线进行重构。实验结果表明,该算法实时性好,生成的加工轨迹满足G2连续性和精度要求,能够实现在线轨迹平滑处理,有效地提高加工效率。3.基于轴加加速度光滑的拐角过渡平滑算法。传统拐角过渡平滑算法需要两步来完成运动轨迹控制,首先,在加工路径的拐角处构造过渡曲线,然后,在构造好的样条曲线上进行速度规划。为了降低轨迹平滑处理和速度规划处理所耗费的时间,提高拐角过渡处的平滑度和加工精度,提出一种基于轴加加速度光滑的实时前瞻拐角过渡平滑算法。该算法利用三角函数速度规划方法,在一步之内,同时完成拐角过渡曲线的构造和单轴的速度规划,显著地降低了运动轨迹控制所耗费的处理时间。实验结果表明,该算法能够在满足加工精度的条件下,实现光滑的轴速度、加速度和加加速度控制,提高运动轨迹控制的处理效率和加工精度。4.基于自适应前瞻和预测校正的实时柔性加减速控制算法。传统的速度规划算法,如S型加减速算法、三角函数型加减速算法,虽然能够实现速度、加速度和加加速度的平滑控制,但算法结构复杂,需要大量数值计算,多采用离线方式进行速度规划,而且在加工过程中,当加工参数发生改变时,数控系统无法快速地做出响应,甚至无法响应。因此,在分析现有速度规划方法不足的基础上,提出了一种实时柔性加减速控制算法。该算法包括自适应前瞻处理、预测校正实时速度规划和动态修调三部分。前瞻处理部分采用加减速可行性判断,不必前瞻完所有的程序段即可完成前瞻,保证加减速可达和实时前瞻;速度规划部分应用预测校正方法实时计算下一插补周期的进给速度,保证加工过程中速度、加速度的连续变化,减小机床的振动;动态修调部分能够在满足机床动态性能的前提下,对当前速度规划结果和前瞻处理结果进行调整,及时地响应加工中机床参数的改变。实验结果表明,该算法能够实现数控系统的实时柔性加减速控制,支持动态修调,满足实际加工的要求。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院沈阳计算技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V261;TG659
【图文】：

计技术和机械制造技术的发展，越来越多的人使来进行复杂零部件的设计 但由于绝大多数的数输，通常利用计算机辅助制造ξCAMο系统，用微小直线段去逼近 CAD 系统设计的自由曲线构成的数控加工程序，如图 1.1 所示 在实际加直接在每一条微小直线段上进行数控加工，会降，由于速度 加速度和加加速度的频繁变化，会制，导致伺服电机频繁启停，引起数控机床振动而降低加工效率和加工质量 因此，需要使用轨点构成的折线加工路径先转化为光滑的样条曲线工，来提高数控机床的加工速度 加工精度和加术包括全局轨迹平滑技术和局部轨迹平滑技术，其研究现状

图 1.2 全局轨迹平滑技术Figure 1.2 Global trajectory smoothing method平滑技术滑技术主要是在相邻微小直线段的连接处，通数曲线等，实现数控加工轨迹的平滑，提升数，从而提高加工速度和加工质量，如图 1.3 所司(SIEMENS, 2016)提出了连续路径运行功能程序段执行结束并进行程序段切换时，为了公差，对拐角和程序段切线过渡开展平滑，以于局部轨迹平滑技术具有局部性好和轮廓误差究人员的广泛关注

图 1.2 全局轨迹平滑技术Figure 1.2 Global trajectory smoothing method轨迹平滑技术平滑技术主要是在相邻微小直线段的连接处，通过 参数曲线等，实现数控加工轨迹的平滑，提升数控度，从而提高加工速度和加工质量，如图 1.3 所示公司(SIEMENS, 2016)提出了连续路径运行功能 当前程序段执行结束并进行程序段切换时，为了避免的公差，对拐角和程序段切线过渡开展平滑，以连续由于局部轨迹平滑技术具有局部性好和轮廓误差控研究人员的广泛关注

【参考文献】

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1 赵晟;毕庆贞;王宇晗;石t

本文编号：2785053